在手性分子-二硫化鉭混合超晶格中發(fā)現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)性
加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)與生物化學(xué)系、電子與計(jì)算機(jī)工程系、材料科學(xué)與工程系的研究團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上發(fā)表了一篇題為“Unconventional superconductivity in chiral molecule–TaS2 hybrid superlattices”的研究成果。該成果報(bào)道了一種通過將手性分子引入傳統(tǒng)超導(dǎo)體晶格中以誘導(dǎo)非常規(guī)超導(dǎo)性的創(chuàng)新方法。這些非常規(guī)超導(dǎo)體——手性超導(dǎo)體，其超導(dǎo)順序參數(shù)在動(dòng)量空間中順時(shí)針或逆時(shí)針纏繞，具有拓?fù)浞瞧椒残再|(zhì)和時(shí)間反轉(zhuǎn)對稱性破缺特性，因此在拓?fù)淞孔佑?jì)算中具有重要應(yīng)用前景。論文通訊作者為段鑲鋒教授、王康龍教授和黃昱教授；第一作者是萬眾、邱罡。超導(dǎo)體是一類具有零電阻和完全抗磁性的材料，其電子以庫珀對的形式凝聚。傳統(tǒng)超導(dǎo)體通常表現(xiàn)為各向同性配對態(tài)（如s波超導(dǎo)體），而近年來對拓?fù)浞诸惖难芯恳l(fā)了對對稱性破缺配對態(tài)超導(dǎo)性的重新審視。其中，手性超導(dǎo)體由于其獨(dú)特的時(shí)間反轉(zhuǎn)對稱性破缺（TRSB）性質(zhì)，成為研究的熱點(diǎn)。然而，天然存在的手性超導(dǎo)體極其稀少，僅有少數(shù)爭議性的例子如UTe2、UPt3和Sr2RuO4。研究者們提出，傳統(tǒng)固態(tài)超導(dǎo)體中非中心對稱性是實(shí)現(xiàn)手性超導(dǎo)性的一種可能途徑，但這種非中心對稱性在常見的超導(dǎo)體中并不常見。另一方面，手性分子由于其結(jié)構(gòu)中的鏡像對稱性和反演對稱性的缺失，展示了手性誘導(dǎo)自旋選擇性效應(yīng)（CISS）。將這些手性分子與超導(dǎo)體結(jié)合，是否能夠引入非常規(guī)配對對稱性，從而實(shí)現(xiàn)手性超導(dǎo)性，成為了關(guān)鍵科學(xué)問題。此次研究采用了有機(jī)/無機(jī)材料相結(jié)合的手性分子插層的方法，將有機(jī)手性分子插入無機(jī)二維原子晶體TaS2中，形成交替排列的晶體原子層和自組裝手性分子層的新型有序超晶格結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了手性結(jié)構(gòu)的引入，并且打破了材料的中心對稱性，使得手性超導(dǎo)成為可能。
技術(shù)細(xì)節(jié)
研究團(tuán)隊(duì)采用了右旋和左旋的甲基芐胺（R-MBA和S-MBA）插層方法，成功將分子的手性引入到TaS2超晶格中。X射線衍射（XRD）圖譜顯示，插層后的超晶格層間距從原始的5.8?擴(kuò)展到11.7?，圓二色性（CD）光譜研究也證實(shí)了手性分子的成功引入。溫度依賴性傳輸測量顯示，插層后的設(shè)備的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)顯著提升，從原始的1.1K提高到1.5K以上。在不同溫度下的外部磁場依賴性研究表明，插層后的TaS2在390mK時(shí)的平面外上臨界磁場(Bc2,⊥)為0.62T，而平面內(nèi)上臨界磁場(Bc2,||)遠(yuǎn)超18T的測量上限。圖1：手性分子插層TaS2超晶格的結(jié)構(gòu)示意圖，以及超導(dǎo)溫度、磁場等表征. 圖2：利用Little-Park測量進(jìn)行超導(dǎo)相位觀測實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)手性超晶格中的π相位差。
超導(dǎo)相位實(shí)驗(yàn)
Little-Parks實(shí)驗(yàn)是通過測量超導(dǎo)體環(huán)形樣品的電阻隨磁通量的變化，來研究其超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用小直徑的TaS2環(huán)形樣品，通過插層手性分子，觀察到在外加磁場下的電阻振蕩現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在插層后的TaS2超晶格中，出現(xiàn)了明顯的π相位移，這表明存在非常規(guī)配對對稱性。與此同時(shí)，在未插層TaS2喝非手性分子插層的TaS2中，則表現(xiàn)出0相唯一的電阻震蕩，這進(jìn)一步驗(yàn)證了手性誘導(dǎo)的非常規(guī)超導(dǎo)性。圖3：未插層TaS2以及非手性超晶格中的0相位差。
超導(dǎo)二極管效應(yīng)
超導(dǎo)二極管效應(yīng)（SDE）是指在沒有外加磁場的情況下，超導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)電流的單向傳輸。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，手性分子插層后的TaS2樣品在無外加磁場的條件下表現(xiàn)出明顯的超導(dǎo)二極管效應(yīng)。這一效應(yīng)的出現(xiàn)，進(jìn)一步證明了手性超導(dǎo)體的時(shí)間反轉(zhuǎn)對稱性破缺特性。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過測量樣品在正負(fù)電流下的電壓響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)插層后的樣品在某一方向上顯示出零電阻，而在相反方向上則表現(xiàn)出顯著的電阻，這一現(xiàn)象在未插層的TaS2樣品中并未觀察到。 圖4：手性超晶格中無磁場下實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)二極管效應(yīng)。這一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，手性分子與晶體原子層之間的相互作用可能導(dǎo)致了獨(dú)特的拓?fù)淞孔硬牧系男纬伞Ｑ芯繄F(tuán)隊(duì)表示，這種混合超晶格可以通過結(jié)合具有豐富物理性質(zhì)的層狀晶體和結(jié)構(gòu)多樣的功能分子，鋪設(shè)出通向人工量子材料的多樣化道路。這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解手性超導(dǎo)性提供了新的視角，還為設(shè)計(jì)新型量子材料和器件提供了寶貴的理論依據(jù)。未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索更多手性分子和傳統(tǒng)超導(dǎo)體的結(jié)合，以期發(fā)現(xiàn)更多具有獨(dú)特性質(zhì)的非常規(guī)超導(dǎo)體。Wan, Z., Qiu, G., Ren, H. et al. Unconventional superconductivity in chiral molecule–TaS2 hybrid superlattices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07625-4
